趙歡蕊,王愛文,劉 娟,羅彩云,王曉榮
(榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,陜西 榆林 719000)
玉簪(Hosta)為百合科(Liliaceae)多年生宿根草本植物,葉色和葉形多變,花葉共賞,觀賞價(jià)值優(yōu)良,性耐寒、喜陰、忌強(qiáng)光,抗逆性強(qiáng),是極具發(fā)展前景的園林地被植物[1,2]。適應(yīng)性極強(qiáng),全國(guó)各地均可栽培,以吉林、遼寧、陜西、江蘇和湖北等地資源最豐富[3]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國(guó)際登錄的玉簪品種已超6 000 個(gè),種質(zhì)資源極多。榆林地處陜西北部,冬季嚴(yán)寒,園林地被植物資源相對(duì)匱乏,草坪需水量大,管護(hù)成本高,近年來(lái)利用抗性優(yōu)良的地被植物替代部分草坪草覆蓋地面成為一種趨勢(shì),玉簪就是其中一種重要的植物。但是經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展,榆林市園林綠化中使用的玉簪品種仍然只有傳統(tǒng)的紫萼玉簪(Hosta ventricosa)和白玉簪(Hosta plantaginea),品種稀少,無(wú)法滿足園林景觀多樣化需求,所以引種馴化并研究彩葉玉簪新品種對(duì)豐富陜北地區(qū)及至北方其他地區(qū)的園林植物資源具有重要意義。
近年來(lái),中國(guó)多地相繼從生物學(xué)特性、抗寒性及推廣應(yīng)用等方面開展了相關(guān)研究。劉東煥等[4]選取了50 個(gè)玉簪代表品種,建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并打分評(píng)價(jià),優(yōu)選出26 個(gè)品種,在北京植物園示范應(yīng)用。瞿小杰等[5]對(duì)長(zhǎng)春地區(qū)7 種玉簪進(jìn)行物候期觀測(cè),掌握了生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律。張瑞麟等[6]報(bào)道了玉簪、紫萼玉簪、東北玉簪和白粉玉簪在烏魯木齊地區(qū)的生長(zhǎng)狀況和適應(yīng)性。高志慧等[7,8]對(duì)金標(biāo)、金冠、山中脊、白花和東北玉簪5 個(gè)品種進(jìn)行了多方面研究,結(jié)果表明5 種玉簪在哈爾濱當(dāng)?shù)乜烧IL(zhǎng)發(fā)育,但需采取防寒措施越冬,以金標(biāo)表現(xiàn)最好,通過生理指標(biāo)測(cè)定,認(rèn)為東北玉簪最耐寒,半致死溫度達(dá)-27.71 ℃。許怡玲等[9]以根系為材料,對(duì)11 種玉簪進(jìn)行低溫脅迫處理,測(cè)定了SS、MDA、Pro 等生理指標(biāo),最終確定了3種抗寒性最強(qiáng)的品種。莊倩倩等[10]采用人工低溫及自然降溫2 種方法對(duì)紫萼玉簪根系進(jìn)行抗寒對(duì)比試驗(yàn),研究認(rèn)為SS 含量變化相同,但MDA 和SOD 變化有所不同,地溫2~3 ℃紫萼玉簪根系基本進(jìn)入休眠。低溫一直是北方園林植物引種及推廣的主要限制因素,上述研究結(jié)果表明玉簪耐寒性極強(qiáng),可在北方嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)一步推廣,因此陜北地區(qū)引種玉簪具有可靠的科學(xué)依據(jù),但截至目前陜北地區(qū)在玉簪方面的研究尚屬空白。為此,本研究以2 種彩葉玉簪為供試材料,為了研究其抗寒性,在人工模擬低溫條件下分析了5 個(gè)抗寒生理指標(biāo)的變化規(guī)律,以期為玉簪新品種的進(jìn)一步研究和推廣應(yīng)用提供依據(jù)。
供試材料為2016 年5 月引自北京植物園的黃邊高叢(Hosta‘a(chǎn)ureomarginata’和白波美邊(Hosta‘a(chǎn)l+bomarginata’)2 個(gè)彩葉玉簪品種,均定植于國(guó)家林業(yè)局榆林荒漠生態(tài)站,經(jīng)過4 年的大田觀測(cè),可在榆林地區(qū)安全越冬。
試驗(yàn)開始于2018 年10 月下旬,從試驗(yàn)大田隨機(jī)挖取若干2 種玉簪的植株,只留根系,用自來(lái)水沖洗3~4 遍,處理干凈的玉簪根系用潮濕的紗布包好后放在密封袋內(nèi),存于4 ℃冰箱。隨后對(duì)試驗(yàn)材料分別進(jìn)行 0、-5、-10、-15、-20、-25、-30、-35 ℃ 8 個(gè)不同梯度的人工低溫脅迫處理。降溫速度為2.5 ℃/h,每個(gè)梯度持續(xù)處理12 h 后,再以2.5 ℃/h 的速度升溫至0 ℃,然后進(jìn)行抗寒生理指標(biāo)測(cè)定,重復(fù)3 次,以0 ℃值為參考。
參考文獻(xiàn)[11]進(jìn)行可溶性糖、脯氨酸、丙二醛含量以及POD、SOD 活性的測(cè)定。
圖1 表明,隨著處理溫度的逐漸下降,2 種玉簪的MDA 含量均呈“升—降”的變化規(guī)律。2 個(gè)品種的MDA 含量在0~-25 ℃逐漸增大,在-25~-35 ℃下降,0~-10 ℃上升略快,-10~-25 ℃上升平緩。至-25 ℃時(shí)2 個(gè)品種的MDA 含量均達(dá)最高值,黃邊高叢和白波美邊的峰值分別為7.915、8.037 μmol/g,與對(duì)照相比增幅不大。溫度降至-35 ℃,2 個(gè)品種的MDA 含量略高于0 ℃對(duì)照值。MDA 含量總體為黃邊高叢低于白波美邊。
圖1 不同低溫脅迫對(duì)丙二醛含量的影響
圖2 表明,隨著處理溫度的逐漸下降,2 種玉簪的POD 活性均呈“升—降”的變化規(guī)律。2 個(gè)品種的POD 活性在 0~-20 ℃一直為上升趨勢(shì),在 0~-10 ℃上升很緩,在-10~-20 ℃急速升高。至-20 ℃黃邊高叢和白波美邊的POD 活性均達(dá)最高值,對(duì)應(yīng)的峰值分別為15.745、13.786 U/gFW,較對(duì)照增加了200%以上,增幅較大。以-20 ℃為分界點(diǎn),溫度低于-20 ℃后 2 種玉簪的 POD 活性急速降低,至-35 ℃時(shí),2 個(gè)品種的 POD 活性接近 0 ℃水平。POD 活性總體為黃邊高叢高于白波美邊。
圖3 表明,隨著處理溫度的逐漸降低,2 種玉簪的SOD 活性均呈“升—降”的變化規(guī)律。2 個(gè)品種的SOD 活性在0~-5 ℃略有上升。黃邊高叢在-5 ℃至-20 ℃時(shí)SOD 活性增加明顯,至-20 ℃時(shí)達(dá)到峰值1.114 U/gFW,以-20 ℃為分界點(diǎn),之后的 SOD 活性下降較快。白波美邊的SOD 活性在-5~-10 ℃上升較快,在-10~-15 ℃趨于平穩(wěn),至-15 ℃活性最強(qiáng),為1.031 U/gFW,在-15~-35 ℃下降較快。二者的峰值較對(duì)照增加了 1.0~1.5 倍,至-35 ℃時(shí) 2 個(gè)品種的SOD 活性均低于0℃對(duì)照水平。SOD 活性總體為黃邊高叢大于白波美邊。
圖3 不同低溫脅迫對(duì)SOD 活性的影響
圖4 表明,隨著處理溫度的逐漸下降,2 種玉簪的SS 含量均呈“升—降”的總體變化規(guī)律。在0~-20 ℃2 個(gè)品種的SS 含量均逐漸上升,差異不明顯,從-20~-35 ℃,2 個(gè)品種的 SS 含量變化有所差異。白波美邊的 SS 含量在-20 ℃達(dá)最高值 2.631 μg/g,以-20 ℃為分界點(diǎn),之后SS 含量開始逐漸下降;黃邊高叢的 SS 含量在-30 ℃達(dá)最高值 2.934 μg/g,-30 ℃之后開始下降;二者的峰值較對(duì)照增加了60%以上,增幅明顯。至-35 ℃時(shí),黃邊高叢的SS 含量明顯高于0 ℃對(duì)照,白波美邊略高于0 ℃對(duì)照。SS 含量總體為黃邊高叢大于白波美邊。
圖4 不同低溫脅迫對(duì)可溶性糖含量的影響
圖5 表明,隨著處理溫度的逐漸降低,2 種玉簪品種Pro 含量均呈“升—降”的變化規(guī)律。2 個(gè)品種的Pro 含量在0~-15 ℃緩慢上升,在-15~-25 ℃上升略快,至-25 ℃均達(dá)最高值,黃邊高叢為70.834 μg/g,白波美邊為70.382 μg/g,與0 ℃對(duì)照相比有所增加。以-25 ℃為分界點(diǎn),2 種玉簪之后的Pro 含量下降較快,至-35 ℃黃邊高叢的Pro 含量略高于0 ℃對(duì)照值,白波美邊略低于0 ℃對(duì)照值。Pro 含量總體為黃邊高叢大于白波美邊。
圖5 不同低溫脅迫對(duì)脯氨酸含量的影響
低溫脅迫導(dǎo)致植物發(fā)生一系列生理生化反應(yīng),膜質(zhì)過氧化物、抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量都有所變化,因此 MDA、SS 和 Pro 含量及 SOD、POD活性是植物抗寒性分析的幾項(xiàng)重要指標(biāo)[12]。
正常條件下,植物的MDA 含量很低,在寒冷等逆境條件下,活性氧類物質(zhì)大量積累,導(dǎo)致膜脂過氧化,使植物產(chǎn)生有害產(chǎn)物MDA,抑制保護(hù)酶活性,導(dǎo)致膜脂過氧化加劇,破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),因此MDA 含量越高,植物抗寒性越弱[12,13]。本研究表明,隨著溫度下降,2 種玉簪的MDA 含量先緩慢上升再逐漸下降,其結(jié)果與高志慧[8]報(bào)道的5 種玉簪一致。在低溫脅迫初期,玉簪根系活性氧代謝的平衡被破壞,生成了一定量的MDA,因此MDA 含量有所上升,但峰值的增幅在35%左右,幅度不大,尤其在-20~-25 ℃時(shí),MDA 含量平穩(wěn),顯示出了較強(qiáng)的抗寒性。-25 ℃后MDA 含量持續(xù)降低,結(jié)合其他4 項(xiàng)指標(biāo)的變化,綜合分析認(rèn)為可能是因?yàn)槟ぶ^氧化程度加深,根系有一定程度凍害導(dǎo)致的。雖然2 個(gè)品種MDA 含量差異不大,但黃邊高叢總體的MDA 含量均小于白波美邊,為相對(duì)耐寒品種。
低溫脅迫時(shí),植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量隨之提高,以維持細(xì)胞膜正常的滲透調(diào)節(jié)功能,增強(qiáng)植物體緩解和抵御寒害的能力[14]。SS 和 Pro 是 2 種主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),與植物的抗寒性密切相關(guān),其含量越高,抗寒性越強(qiáng)[15]。本試驗(yàn)中,2 個(gè)玉簪品種的SS 和Pro 含量隨著溫度的逐漸降低均呈現(xiàn)先升后降的總體變化規(guī)律,與賈祥[16]的抗寒性研究結(jié)果一致。降溫初期SS 和Pro 含量逐漸增加,增加了玉簪體內(nèi)的原生質(zhì)濃度,細(xì)胞內(nèi)含物冰點(diǎn)降低,維持了根系內(nèi)較強(qiáng)的滲透能力,提高了植物適應(yīng)低溫的能力,這是玉簪根系為了適應(yīng)低溫脅迫做出的正常御寒反應(yīng)。但隨著處理溫度持續(xù)降低,細(xì)胞結(jié)構(gòu)會(huì)有一定程度損傷,酶的活性逐步喪失,導(dǎo)致SS 和Pro 被大量消耗,積累逐漸減少,因而降溫后期呈下降趨勢(shì)。
低溫脅迫下,SOD 和POD 是植物酶促防御體系中2 種重要的保護(hù)酶,可以消除過剩的活性氧自由基對(duì)生物體的毒害,防止膜脂過氧化,在提高植物的抗性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[17,18]。本試驗(yàn)中,2 個(gè)玉簪品種的SOD 和POD 活性均呈“升—降”的變化規(guī)律,與楊克彬等[14]對(duì)切花紅掌抗寒性的研究結(jié)果一致。低溫脅迫初期,植物遇到逆境時(shí),SOD 和POD 活性增強(qiáng)開始發(fā)揮清除活性氧自由基的作用,抵抗有害物質(zhì),提高了植物的抗寒性。但隨著玉簪根系繼續(xù)受到低溫脅迫,氧化脅迫進(jìn)一步加劇,抗氧化酶與活性氧自由基的動(dòng)態(tài)平衡被打破,因此降溫后期SOD和POD 活性開始逐漸下降。馬娟娟等[19]研究認(rèn)為氧化酶對(duì)活性氧的清除有溫度效應(yīng),溫度稍高時(shí)SOD 和POD 活性較高,溫度較低時(shí)CAT 活性較強(qiáng),因而不能以SOD 和POD 活性下降完全判斷該植物抗寒性是否變?nèi)?。由此可見,植物御寒的保護(hù)酶變化是一個(gè)較為復(fù)雜的過程。
本研究在人工低溫脅迫條件下,對(duì)黃邊高叢和白波美邊2 個(gè)彩葉玉簪品種的根系進(jìn)行了從0~-35 ℃的抗寒試驗(yàn),采用了5 個(gè)抗寒生理指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,旨在更加準(zhǔn)確地分析這2 個(gè)品種的抗寒性差異。結(jié)果表明,黃邊高叢較白波美邊的SS、Pro 含量及 SOD、POD 活性高,而MDA 含量低,說(shuō)明二者的抗寒性存在一定差異,黃邊高叢為相對(duì)耐寒品種。另外,2 個(gè)品種5 項(xiàng)指標(biāo)峰值到達(dá)的溫度不同,MDA 和 Pro 含量的峰值均出現(xiàn)在-25 ℃,POD 活性的峰值均出現(xiàn)在-20 ℃,2 個(gè)品種在這3 項(xiàng)指標(biāo)上的總體差異不是特別大。SS 含量和SOD 活性有所差異,黃邊高叢的峰值分別出現(xiàn)在-30、-20 ℃,白波美邊的峰值分別出現(xiàn)在-20、-15 ℃,在這2 項(xiàng)指標(biāo)上黃邊高叢顯示出了較高的抗寒性。因此,植物的抗寒性鑒定一定要結(jié)合多項(xiàng)指標(biāo)綜合判定。
據(jù)榆林氣象局官方公布數(shù)字顯示,榆林市近3年在2018 年曾出現(xiàn)過最低氣溫-23 ℃,而2 個(gè)品種在2019 年越冬后的田間生長(zhǎng)仍然較好。綜合上述結(jié)果,本研究認(rèn)為2 種供試玉簪至少可耐受-20 ℃的低溫,甚至短暫的極限低溫,均具有較好的抗寒性,相較而言,黃邊高叢玉簪的抗寒性更強(qiáng)。因此這2個(gè)玉簪品種均適合在榆林市乃至北方大多數(shù)地區(qū)的園林綠化中推廣應(yīng)用,本研究為玉簪的進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用提供了參考。